CH502511A - Verfahren zur Herstellung eines beschaufelten Rotors für Turbomaschinen und danach hergestellter Rotor für ein Gasturbinentriebwerk - Google Patents

Description

  
 



  Verfahren zur Herstellung eines beschaufelten Rotors für Turbomaschinen und danach hergestellter
Rotor für ein Gasturbinentriebwerk
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines beschaufelten Rotors für Turbomaschinen, insbesondere Gasturbinen der Axialbauart, welcher als Scheibenläufer ausgebildet ist und dessen die Laufschaufelkränze aufweisende Scheiben durch einen zentralen oder mehrere aussermittige Zuganker zusammenspannbar sind.



   Ein nach einem derartigen Verfahren hergestellter Rotor eines Gasturbinentriebwerkes ist grundsätzlich bekannt (Deutsches Gebrauchsmuster 1 955 715).



  Durch die Scheibenbauart ergibt sich der Vorteil leichter Bauweise, der Anwendung des Baukastensystems und der guten   Kühlungsmöglichkeit    für die Laufschaufeln. Bei der Befestigung der Laufschaufeln an den Scheibenkörpern sieht man im allgemeinen axial gerichtete Nuten am äusseren Umfang der Scheiben vor, in welche die Laufschaufeln mit ihrem vorzugsweise tannenbaumartig geformten Fuss eingeschoben werden.



  Diese Verbindung zwischen Schaufeln und Scheibenkörpern wird bei hohen Temperaturen und den grossen Umfangsgeschwindigkeiten sowie Mengenströmen relativ grossen Beanspruchungen ausgesetzt.



   In letzter Zeit sind nun Kernreaktoranlagen vorgeschlagen worden, bei welchen ein geschlossener, mit einem nicht idealen Gas, wie insbesondere CO2, betriebener Gasturbinenkreislauf vorgesehen ist. Der Zustand des Arbeitsmediums an der Eintrittsseite der Turbine ist etwa 520   "C,    300 ata und austrittsseitig 400   OC,    120 ata. Für   gasgekühlte    Hochtemperatur-Reaktoren sind weiterhin Helium-Turbinen vorgeschlagen worden, wobei durch direkte Kopplung von Reaktor und Gasturbine die Vorteile des Hochtemperaturbetriebes bei Temperatursteigerungen über 700   OC    voll ausgenutzt werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, durch welche sich für derartige Gasturbinen wie auch für zugehörige Kompressoren, d. h.

  Turbomaschinen, bei denen die Laufschaufeln und   Laufscheiben    durch hohe Umfangs- und Dampfkräfte beansprucht werden, eine erhebliche Vereinfachung des Aufbaues und der Herstellung der Beschaufelung erzielen lässt.



   Die Erfindung besteht bei einem Verfahren der eingangs genannten Art darin, dass von den Laufschaufeln zumindest diejenigen mit kleiner Schaufellänge als sogenannte angewachsene Laufschaufeln durch elektroerosive Bearbeitung aus den äusseren Umfangsbereichen der zugehörigen vollen Scheibenkörper herausgearbeitet werden. Unter elektroerosiver Bearbeitung wird hier wie im folgenden sowohl eine Bearbeitung mittels Funkenerosion als auch eine Bearbeitung mittels elektrolytischer Elektro-Erosion (elektro-chemisches Senken bzw. EC-Verfahren) verstanden. Das zuletztgenannte Verfahren ist zum Herausarbeiten der Laufschaufeln aus den Scheibenkörpern besonders vorteilhaft, da man mit relativ grossen Vorschubgeschwindigkeiten arbeiten kann.

  Die Scheibenkörper können auf einer geeigneten Spannvorrichtung befestigt werden, und die Elektrode kann in radialer Anordnung zum Scheibenmittelpunkt längsverschieblich gelagert werden, wobei sie nach dem jeweiligen Wegsenken des zwischen zwei benachbarten Laufschaufeln befindlichen Materials um eine Schaufelteilung am Umfang weitergerückt werden kann. Es ist auch möglich, mit mehreren Elektroden einen Scheibenkörper gleichzeitig zu bearbeiten. Es werden auf diese Weise an den Scheibenkörper angewachsene Laufschaufeln erzeugt, und man vermeidet hierdurch die hohen Kerbbeanspruchungen während des Betriebes, die sich bei üblichen Schaufelbefestigungen mit Tannenbaum- oder Hammerkopffuss innerhalb zugehöriger Nuten ergeben.

  Die Bearbeitung der   Seheibenkörper    im EC-Verfahren gestaltet sich sehr einfach, und es können die fertig mit der Beschaufelung versehenen Läuferscheiben in gewünschter Kombination mit dem Zuganker zusammengespannt werden.



   Gegenstand der Erfindung ist auch ein Roter für ein Gasturbinentriebwerk, hergestellt nach dem vorbeschriebenen Verfahren, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass sowohl der Turbinenteil als auch der auf der gleichen Welle sitzende Axialverdichterteil aus zu  sammengespannten Scheibenkörpern bestehen und zumindest die Scheibenkörper kleineren Durchmessers die angewachsenen Laufschaufeln aufweisen. Vorteilhafterweise ist das Gasturbinentriebwerk ein mit   CO    als Arbeitsmedium betriebenes Triebwerk und sind von den Laufschaufeln des Turbinen- und des Verdichterteiles zumindest diejenigen des Turbinenteiles als angewachsene   Laufsehaufeln    ausgeführt.

  Das EC-Verfahren eignet sich besonders für Gasturbinen der Axialbauart und hierbei insbesondere für die genannten CO2-Gasturbinen, weil hier relativ geringe Schaufelhöhen, insbesondere bedingt durch das hohe spezifische Gewicht des Arbeitsmediums, auftreten.



   Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn sowohl von den Laufschaufeln des Turbinenteils als auch den Laufschaufeln des Verdichterteils zumindest diejenigen der ersten bzw. letzten Stufen mit geringer Schaufellänge als angewachsene Schaufeln ausgeführt sind.



   Anhand der Zeichnung werden im folgenden zwei Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 im Ausschnitt und Axialschnitt eine mit   CO    als Arbeitsmedium betriebene Gasturbine, und zwar den Läufer und die diesen umgebende Leitvorrichtung, mit erfindungsgemäss ausgestalteten Scheibenkörpern,
Fig. 2 im Axialschnitt den Scheibenläufer eines Gasturbinentriebwerkes mit auf der gleichen Welle sitzendem Verdichter- und Turbinenteil und zentralem Zuganker, bei dem die   Laufsehaufeln    kleinerer Höhe gemäss der Erfindung ausgebildet sind.



   In Fig. 1 ist der besseren Übersichtlichkeit wegen die Schraffur weggelassen. Auf dem zentralen Zuganker 1 sitzen axial aneinandergereiht die Scheibenkörper 2, welche an ihrem äusseren Umfang mit angewachsenen Laufschaufeln 3 versehen sind. Der linke Scheibenkörper 2' ist bei 4 mit einem Zahnkranz versehen, der mit dem entsprechenden Gegenzahnkranz 4' eines auf der Welle sitzenden Hohlwellenteils 5 gekuppelt ist. In entsprechender Weise sind die einzelnen Scheibenkörper 2 miteinander an den Kupplungsstellen 4" durch Zahnkränze miteinander verdrehungssicher gekuppelt, und der rechts aussen sitzende Scheibenkörper 2" ist mit einem weiteren generatorseitigen Hohlwellenteil 6 über die Kupplungszahnkränze 7, 7' gekuppelt.

  Zwischen den einzelnen Scheiben 2, 2' 2" sind Hohlräume 8 gebildet, und mit den radial innen liegenden Vorsprüngen 9 stehen die Scheibenkörper über Dichtungsringe 10 miteinander in Eingriff. Durch den zentralen Zuganker 1 werden die Scheibenkörper 2, 2', 2" mit den äusseren Kupplungsteilen 5, 6 verdrehungssicher zusammengespannt, wobei die Einzelheiten dieser Spannanordnung aus Fig. 2 beispielsweise ersichtlich sind, auf die weiter unten noch eingegangen wird. Leitschaufeln sind mit 11 bezeichnet; sie sind in zugehörigen Aufnahmenuten 12 am inneren Umfang des Gasturbinengehäuses 13 befestigt. Die Dichtungsringe zwischen den einzelnen   Leitschaufelkränzen    sind mit 14 bezeichnet.



   Erfindungsgemäss sind die Laufschaufeln 3 durch elektroerosive Bearbeitung aus den äusseren Umfangsbereichen der vollen Scheibenkörper 2, 2', 2" herausgearbeitet, vorzugsweise durch elektrolytische Elektroerosion, wie erläutert. Bei   CO2-Gasturbinen    haben die   Laufsehaufeln    3 eine relativ geringe Erstreckung, es ist deshalb möglich und vorteilhaft, sämtliche Laufschaufeln nach dem genannten Verfahren herzustellen.



  Wie ersichtlich, sind 4 Schaufelkränze dargestellt, wobei die Gasströmungsrichtung durch den Pfeil 140 angedeutet ist.



   In Fig. 2 ist der Läufer einer Gasturbinenanlage dargestellt, deren Brennkammer mit Erdgas oder Öl befeuert werden kann. Auch bei dieser Gasturbinenanlage, die einen Verdichterteil V und einen Turbinenteil T aufweist, ist zur Befestigung bzw. Ausbildung der Laufschaufeln von der elektroerosiven Bearbeitung Gebrauch gemacht. Sowohl von den Laufschaufeln des Turbinenteiles T als auch den Laufschaufeln des Ver   dichterteiles V    sind diejenigen mit relativ geringer Schaufelhöhe, nämlich die Schaufeln 15 des Verdichterteils V und die Schaufeln 16 des Turbinenteiles T, aus den vollen Scheibenkörpern 17 durch elektrochemisches Senken herausgearbeitet, d. h. als sogenannte angewachsene Schaufeln ausgebildet.

  Für die längeren Schaufeln 18 des Verdichterteils V und 19 des Turbinenteils T finden übliche Befestigungsmethoden Anwendung, weshalb hierauf nicht näher eingegangen wird. Im übrigen bezeichnen: 1 wiederum den zentralen Zuganker, 20 die Verzahnungsstellen zwischen den Scheibenkörpern 17 untereinander bzw. den Scheibenkörpern 17 und den aussen auf den Zuganker aufgesetzten Lagerstummeln 21, 22; la den Kopfteil des als elastisches Federglied wirkenden Zugankers 1;   1b    eine mit konischem Aussenumfang versehene   Spannmu"Lter,    welche auf das rechte Ende des Zugankers 1 aufgeschraubt und unter Flächenpressung mit entsprechenden konischen Gegenflächen des rechten Wellenstummels 22 zur Anlage gebracht ist.

  Die Verzahnungsstellen 20 dienen, wie an sich bekannt, nicht nur zur Drehmomentübertragung, sondern auch zur Zentrierung der Scheibenkörper 17, was auch für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 gilt.



  Zwischen Turbinenteil T und Verdichterteil V ist noch ein Hohlwellenteil 23 eingeschaltet, der die genannten Rotorteile räumlich voneinander trennt und als Kupplungszwischenglied dient.



      PATENTANSPRÜCHE   
I. Verfahren zur Herstellung eines beschaufelten Rotors für Turbomaschinen, insbesondere Gasturbinen der Axialbauart, welcher als Scheibenläufer ausgebildet ist und dessen die   Laufsehaufelkränze    aufweisende Scheiben durch einen zentralen oder mehrere aussermittige Zuganker zusammenspannbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass von den Laufschaufeln zumindest diejenigen mit kleiner Schaufellänge als sogenannte angewachsene Laufschaufeln durch elektroerosive Bearbeitung aus den äusseren Umfangsbereichen der zugehörigen vollen Scheibenkörper herausgearbeitet werden.

 

   II. Rotor für ein Gasturbinentriebwerk, hergestellt nach dem Verfahren gemäss Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Turbinenteil als auch der auf der gleichen Welle sitzende Axialverdichterteil aus   zusammengespannten    Scheibenkörpern bestehen und zumindest die Scheibenkörper kleineren Durchmessers die angewachsenen Laufschaufeln aufweisen.



   UNTERANSPRÜCHE
1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufeln durch elektrolytische Elektroerosion aus den Scheibenkörpern herausgearbeitet werden.



   2. Rotor nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasturbinentriebwerk ein mit CO2 als Arbeitsmedium betriebenes Triebwerk ist und von den   Laufschaufeln    des Turbinen- und des Verdichter 

**WARNUNG** Ende DESC Feld konnte Anfang CLMS uberlappen**.



   

Claims (1)

1. **WARNUNG** Anfang CLMS Feld konnte Ende DESC uberlappen **. sammengespannten Scheibenkörpern bestehen und zumindest die Scheibenkörper kleineren Durchmessers die angewachsenen Laufschaufeln aufweisen. Vorteilhafterweise ist das Gasturbinentriebwerk ein mit CO als Arbeitsmedium betriebenes Triebwerk und sind von den Laufschaufeln des Turbinen- und des Verdichterteiles zumindest diejenigen des Turbinenteiles als angewachsene Laufsehaufeln ausgeführt. Das EC-Verfahren eignet sich besonders für Gasturbinen der Axialbauart und hierbei insbesondere für die genannten CO2-Gasturbinen, weil hier relativ geringe Schaufelhöhen, insbesondere bedingt durch das hohe spezifische Gewicht des Arbeitsmediums, auftreten.

   Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn sowohl von den Laufschaufeln des Turbinenteils als auch den Laufschaufeln des Verdichterteils zumindest diejenigen der ersten bzw. letzten Stufen mit geringer Schaufellänge als angewachsene Schaufeln ausgeführt sind.

   Anhand der Zeichnung werden im folgenden zwei Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 im Ausschnitt und Axialschnitt eine mit CO als Arbeitsmedium betriebene Gasturbine, und zwar den Läufer und die diesen umgebende Leitvorrichtung, mit erfindungsgemäss ausgestalteten Scheibenkörpern, Fig. 2 im Axialschnitt den Scheibenläufer eines Gasturbinentriebwerkes mit auf der gleichen Welle sitzendem Verdichter- und Turbinenteil und zentralem Zuganker, bei dem die Laufsehaufeln kleinerer Höhe gemäss der Erfindung ausgebildet sind.

   In Fig. 1 ist der besseren Übersichtlichkeit wegen die Schraffur weggelassen. Auf dem zentralen Zuganker 1 sitzen axial aneinandergereiht die Scheibenkörper 2, welche an ihrem äusseren Umfang mit angewachsenen Laufschaufeln 3 versehen sind. Der linke Scheibenkörper 2' ist bei 4 mit einem Zahnkranz versehen, der mit dem entsprechenden Gegenzahnkranz 4' eines auf der Welle sitzenden Hohlwellenteils 5 gekuppelt ist. In entsprechender Weise sind die einzelnen Scheibenkörper 2 miteinander an den Kupplungsstellen 4" durch Zahnkränze miteinander verdrehungssicher gekuppelt, und der rechts aussen sitzende Scheibenkörper 2" ist mit einem weiteren generatorseitigen Hohlwellenteil 6 über die Kupplungszahnkränze 7, 7' gekuppelt.

   Zwischen den einzelnen Scheiben 2, 2' 2" sind Hohlräume 8 gebildet, und mit den radial innen liegenden Vorsprüngen 9 stehen die Scheibenkörper über Dichtungsringe 10 miteinander in Eingriff. Durch den zentralen Zuganker 1 werden die Scheibenkörper 2, 2', 2" mit den äusseren Kupplungsteilen 5, 6 verdrehungssicher zusammengespannt, wobei die Einzelheiten dieser Spannanordnung aus Fig. 2 beispielsweise ersichtlich sind, auf die weiter unten noch eingegangen wird. Leitschaufeln sind mit 11 bezeichnet; sie sind in zugehörigen Aufnahmenuten 12 am inneren Umfang des Gasturbinengehäuses 13 befestigt. Die Dichtungsringe zwischen den einzelnen Leitschaufelkränzen sind mit 14 bezeichnet.

   Erfindungsgemäss sind die Laufschaufeln 3 durch elektroerosive Bearbeitung aus den äusseren Umfangsbereichen der vollen Scheibenkörper 2, 2', 2" herausgearbeitet, vorzugsweise durch elektrolytische Elektroerosion, wie erläutert. Bei CO2-Gasturbinen haben die Laufsehaufeln 3 eine relativ geringe Erstreckung, es ist deshalb möglich und vorteilhaft, sämtliche Laufschaufeln nach dem genannten Verfahren herzustellen.

   Wie ersichtlich, sind 4 Schaufelkränze dargestellt, wobei die Gasströmungsrichtung durch den Pfeil 140 angedeutet ist.

   In Fig. 2 ist der Läufer einer Gasturbinenanlage dargestellt, deren Brennkammer mit Erdgas oder Öl befeuert werden kann. Auch bei dieser Gasturbinenanlage, die einen Verdichterteil V und einen Turbinenteil T aufweist, ist zur Befestigung bzw. Ausbildung der Laufschaufeln von der elektroerosiven Bearbeitung Gebrauch gemacht. Sowohl von den Laufschaufeln des Turbinenteiles T als auch den Laufschaufeln des Ver dichterteiles V sind diejenigen mit relativ geringer Schaufelhöhe, nämlich die Schaufeln 15 des Verdichterteils V und die Schaufeln 16 des Turbinenteiles T, aus den vollen Scheibenkörpern 17 durch elektrochemisches Senken herausgearbeitet, d. h. als sogenannte angewachsene Schaufeln ausgebildet.

   Für die längeren Schaufeln 18 des Verdichterteils V und 19 des Turbinenteils T finden übliche Befestigungsmethoden Anwendung, weshalb hierauf nicht näher eingegangen wird. Im übrigen bezeichnen: 1 wiederum den zentralen Zuganker, 20 die Verzahnungsstellen zwischen den Scheibenkörpern 17 untereinander bzw. den Scheibenkörpern 17 und den aussen auf den Zuganker aufgesetzten Lagerstummeln 21, 22; la den Kopfteil des als elastisches Federglied wirkenden Zugankers 1; 1b eine mit konischem Aussenumfang versehene Spannmu"Lter, welche auf das rechte Ende des Zugankers 1 aufgeschraubt und unter Flächenpressung mit entsprechenden konischen Gegenflächen des rechten Wellenstummels 22 zur Anlage gebracht ist.

   Die Verzahnungsstellen 20 dienen, wie an sich bekannt, nicht nur zur Drehmomentübertragung, sondern auch zur Zentrierung der Scheibenkörper 17, was auch für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 gilt.

   Zwischen Turbinenteil T und Verdichterteil V ist noch ein Hohlwellenteil 23 eingeschaltet, der die genannten Rotorteile räumlich voneinander trennt und als Kupplungszwischenglied dient.

   PATENTANSPRÜCHE I. Verfahren zur Herstellung eines beschaufelten Rotors für Turbomaschinen, insbesondere Gasturbinen der Axialbauart, welcher als Scheibenläufer ausgebildet ist und dessen die Laufsehaufelkränze aufweisende Scheiben durch einen zentralen oder mehrere aussermittige Zuganker zusammenspannbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass von den Laufschaufeln zumindest diejenigen mit kleiner Schaufellänge als sogenannte angewachsene Laufschaufeln durch elektroerosive Bearbeitung aus den äusseren Umfangsbereichen der zugehörigen vollen Scheibenkörper herausgearbeitet werden.

   II. Rotor für ein Gasturbinentriebwerk, hergestellt nach dem Verfahren gemäss Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Turbinenteil als auch der auf der gleichen Welle sitzende Axialverdichterteil aus zusammengespannten Scheibenkörpern bestehen und zumindest die Scheibenkörper kleineren Durchmessers die angewachsenen Laufschaufeln aufweisen.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufeln durch elektrolytische Elektroerosion aus den Scheibenkörpern herausgearbeitet werden.

   2. Rotor nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasturbinentriebwerk ein mit CO2 als Arbeitsmedium betriebenes Triebwerk ist und von den Laufschaufeln des Turbinen- und des Verdichter

   teils zumindest diejenigen des Turbinenteiles als angewachsene Laufschaufeln ausgeführt sind.

   3. Rotor nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl von den Laufschaufeln des Turbinenteils als auch den Laufschaufeln des Verdichter- teils zumindest diejenigen der ersten bzw. letzten Stufen mit geringer Schaufellänge als angewachsene Schaufeln ausgeführt sind.